Linearni in nelinearni elementi električnega tokokroga

Linearni elementi

Tisti elementi električnega tokokroga, za katere sta odvisnost toka od napetosti I (U) ali napetosti od toka U (I) in upor R konstantna, se imenujejo linearni elementi električnega tokokroga. . V skladu s tem se vezje, sestavljeno iz takih elementov, imenuje linearno električno vezje.

Za linearne elemente je značilna linearno simetrična tokovno-napetostna karakteristika (CVC), ki je podobna ravni črti, ki poteka skozi izvor pod določenim kotom na koordinatne osi. To kaže, da za linearne elemente in za linearna električna vezja Ohmov zakon strogo upoštevano.

Poleg tega lahko govorimo ne le o elementih s čisto aktivnimi upornostmi R, temveč tudi o linearnih induktivnostih L in kapacitivnosti C, kjer je odvisnost magnetnega pretoka od toka — Ф (I) in odvisnost naboja kondenzatorja od napetost med njegovimi ploščami - q (U).

Glavni primer linearnega elementa je navit žični upor… Tok skozi tak upor v določenem območju delovne napetosti je linearno odvisen od vrednosti upora in od napetosti, ki je privedena na upor.

Karakteristika prevodnika (tokovno-napetostna karakteristika) — razmerje med napetostjo, ki se uporablja za žico, in tokom v njej (običajno izraženo kot graf).

Za kovinski vodnik je na primer tok v njem sorazmeren z uporabljeno napetostjo, zato je karakteristika ravna črta. Čim bolj strma je linija, tem manjši je upor žice. Vendar imajo nekateri vodniki, v katerih tok ni sorazmeren z uporabljeno napetostjo (na primer plinske sijalke), bolj zapleteno, nelinearno tokovno-napetostno karakteristiko.

Nelinearni elementi

Če za element električnega tokokroga odvisnost toka od napetosti ali napetosti od toka, kot tudi upor R, nista konstantna, tj. spreminjata se glede na tok ali uporabljeno napetost, potem takšni elementi se imenujejo nelinearni in v skladu s tem se izkaže električni tokokrog, ki vsebuje vsaj en nelinearni element nelinearno električno vezje.

Tokovno-napetostna karakteristika nelinearnega elementa ni več ravna črta na grafu, je nelinearna in pogosto asimetrična, kot na primer polprevodniška dioda. Ohmov zakon ni izpolnjen za nelinearne elemente električnega tokokroga.

V tem kontekstu lahko govorimo ne samo o žarnici z žarilno nitko ali polprevodniški napravi, temveč tudi o nelinearnih induktivnostih in kondenzatorjih, kjer sta magnetni pretok Φ in naboj q nelinearno povezana s tokom tuljave ali z napetostjo med plošče kondenzatorja. Zato bodo zanje Weber-amperske in Coulomb-voltne karakteristike nelinearne, določene pa so s tabelami, grafi ali analitičnimi funkcijami.

Primer nelinearnega elementa je žarnica z žarilno nitko. Z naraščanjem toka skozi žarilno nitko žarnice se povečuje njena temperatura in povečuje upor, kar pomeni, da ni konstanten in je zato ta element električnega tokokroga nelinearen.

Statična odpornost

Za nelinearne elemente je določena statična upornost značilna na vsaki točki njihove I-V karakteristike, to je vsakemu razmerju med napetostjo in tokom na vsaki točki grafa dodeljena določena vrednost upora. Izračuna se lahko kot tangenta kota alfa naklona grafa na vodoravno os I, kot da ta točka leži na črtnem grafu.

Diferencialni upor

Nelinearni elementi imajo tudi tako imenovano diferencialno upornost, ki je izražena kot razmerje med neskončno majhnim povečanjem napetosti in ustrezno spremembo toka. Ta upor se lahko izračuna kot tangens kota med tangento I—V karakteristike v dani točki in vodoravno osjo.

S tem pristopom sta analiza in izračun enostavnih nelinearnih vezij čim preprostejša.

Zgornja slika prikazuje karakteristiko I—V tipičnega dioda… Nahaja se v prvem in tretjem kvadrantu koordinatne ravnine, kar nam pove, da bo pri pozitivni ali negativni napetosti na pn-spoj diode (v eno ali drugo smer) prišlo do prednapetosti iz pn-spoja diode. Ko se napetost na diodi poveča v obe smeri, se tok sprva nekoliko poveča, nato pa močno naraste. Zaradi tega dioda pripada nenadzorovanemu nelinearnemu bipolarnemu omrežju.

Ta slika prikazuje družino s tipičnimi značilnostmi I — V. fotodioda pod različnimi svetlobnimi pogoji. Glavni način delovanja fotodiode je način obratne pristranskosti, ko se pri konstantnem svetlobnem toku F tok praktično ne spremeni v precej širokem razponu delovnih napetosti. Pod temi pogoji bo modulacija svetlobnega toka, ki osvetljuje fotodiodo, povzročila istočasno modulacijo toka skozi fotodiodo. Tako je fotodioda nadzorovana nelinearna bipolarna naprava.

To je VAC tiristor, tukaj lahko vidite njegovo jasno odvisnost od velikosti toka krmilne elektrode. V prvem kvadrantu je delovni del tiristorja. V tretjem kvadrantu je začetek I-V karakteristike majhen tok in velika uporabljena napetost (v zaprtem stanju je upor tiristorja zelo visok). V prvem kvadrantu je tok visok, padec napetosti majhen - tiristor je trenutno odprt.

Trenutek prehoda iz zaprtega v odprto stanje se pojavi, ko na krmilno elektrodo teče določen tok. Prehod iz odprtega v zaprto stanje se zgodi, ko se tok skozi tiristor zmanjša.Tako je tiristor krmiljen nelinearni tripolni (kot tranzistor, kjer je kolektorski tok odvisen od baznega toka).